無線電波發射功率防爆要求與檢測方法

摘要：現行國家標準GB/T 3836.1—2021《爆炸性環境 第1 部分：設備 通用要求》和國際標準IEC 60079-0：2017《Explosive atmospheres-Part 0：Equipment-General requirements》規定無線電發射器的閾功率為無線電發射器的有效輸出功率與天線增益的乘積。在無線電波防爆安全發射功率閾值一定的條件下，天線增益越大，無線電發射器的有效輸出功率就越小，這將限制通過增大天線增益，提高無線傳輸距離。因此，有必要對國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017 中規定的閾功率的正確性進行研究，提出合理的無線電波發射功率防爆要求與檢測方法。提出了無線電波防爆安全發射功率與天線增益無關，國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017 規定的無線電發射器的閾功率是錯誤的。提出了煤礦井下無線電波防爆安全發射功率閾值應大于16 W，且與天線增益無關；國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017 規定閾功率不得大于6 W，且與天線增益相關，是錯誤的。提出了無線電波防爆安全性能檢測方法——檢測無線電發射器輸出功率，這既可保證通過檢測的防爆無線電設備的防爆安全，又簡化了檢測方法，更提高了防爆無線電設備的無線電波發射功率，解除了對天線增益的限制，將大大提高煤礦井下防爆無線電設備的無線傳輸距離。

關鍵詞：礦井無線電波；防爆安全；天線增益；發射功率；輸出功率；防爆安全性能檢測

中圖分類號：TD655 文獻標志碼：A

0 引言

5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee 等礦井移動通信系統和車輛及人員定位系統等發射的大功率無線電波，被能作為接收天線的金屬結構吸收，并產生放電火花，有點燃爆炸性氣體的風險[1-6]。因此，需要合理設置無線電發射器的無線電波防爆安全發射功率閾值，限制無線電發射器的無線電波最大發射功率?，F行國家標準GB/T 3836.1—2021《爆炸性環境 第1 部分：設備 通用要求》[7]規定無線電發射器的閾功率不得大于6 W。

許多學者認為6 W 這一閾值限定得過低，導致通信基站的無線覆蓋半徑較小[8-10]，增大了系統建設成本和維護工作量，不利于礦井移動通信系統和車輛及人員定位系統等在煤礦井下應用。文獻[11-12]對國家標準GB/T 3836.1—2021 進行了溯源分析，指出國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC60079-0：2017《Explosive atmospheres-Part 0：Equipment-General requirements》[13]直接引用歐洲標準CLC/TR50427：2004《Assessment of inadvertent ignition offlammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》[14]的相關內容，但錯誤地將無線電波防爆安全功率閾值直接修改為6 W，并提出無線電波防爆安全功率閾值應為8 W。文獻[15]指出國家標準GB/T3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017 中規定的無線電波防爆安全功率閾值應為接收點火功率閾值，且無線電波防爆安全接收點火功率應為8 W。文獻[16]分析了無線電波發射功率、接收總功率和接收點火功率之間的關系，得出無線電波防爆安全發射功率閾值應是無線電波防爆安全接收點火功率閾值的2 倍以上，提出煤礦井下無線電波防爆安全發射功率閾值應大于16 W。文獻[17]通過搭建諧振耦合系統仿真了無線電波頻率為3.55 GHz、收發天線均為單環線圈的情形，結果表明，在無線電波發射功率為100 W 時，無法在斷點間距為0.4 mm 的單環接收線圈中產生擊穿放電。文獻[18-19]使用基于半波偶極子天線設計的射頻電磁能防爆專用試驗裝置進行試驗，結果表明，當發射射頻信號為700 MHz 正弦波時，測得未點燃瓦斯的臨界情況下最小正向功率為49.6 W、饋入最小功率為24.8 W，認為700 MHz頻段的無線電波防爆安全發射功率閾值可以提高到20 W 以上，并指出了國家標準GB/T 3836.1—2021 中發射閾功率6 W 的限制來自于20 世紀80 年代英國的研究成果所存在的不足。文獻[20]將能作為接收天線的金屬結構等效為單環接收線圈，以多物理場仿真得到的工作頻率為3.55 GHz 時最小擊穿電壓為200 V 為依據，使用電磁仿真軟件模擬了發射天線為八木天線、無線電波頻率為3.55 GHz 時在單環接收線圈斷點兩端產生的電壓，結果表明，在八木天線近場區、遠場區和沒有傳輸損耗時無線電波防爆安全發射功率閾值分別為450，7 200，100 W，但僅考慮了無線電波頻率為3.55 GHz 時產生擊穿放電的特定情形。文獻[21]以GB/T 3836.1—2021 中規定可能堆積煤塵的電氣設備表面溫度不能超過150 ℃ 為依據，使用電磁仿真軟件模擬了無線電波在電氣設備表面產生的熱效應，結果表明，在無線電波發射功率不大于16.48 W 時，不會導致電氣設備表面溫度超過150 ℃。文獻[22]依據GB/T 3836.4—2021《爆炸性環境 第4 部分：由本質安全型“i”保護的設備》[23]中規定的點燃甲烷–空氣混合氣體的最小能量為525 μJ，在不同無線電波發射功率下進行電磁仿真，結果表明，在安全距離為0.2 m 時，點燃甲烷?空氣混合氣體的無線電波最小發射功率為27.45 W。

綜上所述，僅筆者研究團隊[11-12，15-16]對國家標準GB/T 3836.1—2021 進行了溯源分析，指出了國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017錯誤地將歐洲標準CLC/TR 50427：2004 中規定的接收點火功率8 W 直接修改為發射閾功率6 W，提出了無線電波防爆安全發射功率閾值應大于16 W。而其他文獻均是通過電磁仿真或試驗來驗證國家標準GB/T 3836.1—2021 中的無線電發射器的閾功率不得大于6 W 這一條款限定得過低，均沒有指出國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017的相關錯誤。